JP2018508932A - 制御された回折カップリング効率を有する回折格子ベースの背面照明 - Google Patents

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Abstract

制御された回折カップリング効率を有する回折格子ベースの背面照明は、ライトガイドと、ライトガイドの表面の複数の回折格子とを有する。ライトガイドは、光を導波するためのものであり、回折格子は、回折カップリングを用いて導波光の一部分をカップリングして外へ出し、このカップリングして外へ出された部分を、主極大角度方向で複数の光ビームとしてライトガイド表面から離れるように方向付けるためのものである。複数の回折格子は、ライトガイド表面に沿った距離の関数として、回折格子の回折カップリング効率を選択的に制御するように構成された回折特徴部の変調を有する、回折特徴部を含む。

Description

関連出願の相互参照
該当なし
連邦政府資金による研究開発の記載
該当なし
電子ディスプレイは、多種多様なデバイスおよび製品のユーザに情報を伝達するための、ほぼ至る所にある媒体である。最も一般的に見られる電子ディスプレイには、陰極線管（ＣＲＴ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、電子発光ディスプレイ（ＥＬ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）およびアクティブマトリクスＯＬＥＤ（ＡＭＯＬＥＤ）ディスプレイ、電気泳動ディスプレイ（ＥＰ）、ならびに電気機械または電気流体光変調（例えば、デジタルマイクロミラーデバイス、エレクトロウェッティングディスプレイなど）を使用した様々なディスプレイがある。一般に、電子ディスプレイは、アクティブディスプレイ（すなわち、光を放射するディスプレイ）またはパッシブディスプレイ（すなわち、別の発生源により生成された光を変調するディスプレイ）に分類することができる。アクティブディスプレイの最も明らかな例には、ＣＲＴ、ＰＤＰ、およびＯＬＥＤ／ＡＭＯＬＥＤがある。放射される光を考慮したときにパッシブとして通常分類されるディスプレイは、ＬＣＤおよびＥＰディスプレイである。パッシブディスプレイは、多くの場合、本質的に消費電力が低いことを含めて、これだけに限らず魅力的な性能特性を呈するが、光を放射する能力がないことを考えれば、多くの実用的な用途においていくらか使用が制限される場合がある。
放射される光に関連するパッシブディスプレイの制限を克服するために、多くのパッシブディスプレイは外部光源に連結される。連結された光源は、通常ならばパッシブ型のこれらのディスプレイが光を放射し、実質的にアクティブディスプレイとして機能することを可能にし得る。このような連結された光源の例は、バックライトである。バックライトは、通常ならばパッシブ型のディスプレイの裏側に、このパッシブディスプレイを照射するように配置された光源（多くの場合、パネル光源）である。例えば、バックライトはＬＣＤまたはＥＰディスプレイに連結されてもよい。バックライトは光を放射し、この光がＬＣＤまたはＥＰディスプレイを通過する。放射された光は、ＬＣＤまたはＥＰディスプレイにより変調され、変調された光はその後、ＬＣＤまたはＥＰディスプレイから放射される。しばしば、バックライトは、白色光を放射するように構成される。その後、カラーフィルタが、白色光をディスプレイで用いられる様々な色に変換するために用いられる。例えば、カラーフィルタは、ＬＣＤもしくはＥＰディスプレイの出力に（一般性は低い）、またはバックライトとＬＣＤもしくはＥＰディスプレイとの間に配置されてもよい。
本明細書で説明する原理による例および実施形態の様々な特徴は、同様の参照番号が同様の構造要素を表す添付の図面と併せて以下の発明を実施するための形態を参照することにより、より容易に理解することができる。
本明細書で説明する原理と一致した一例による、ライトガイド内の距離の関数としての光強度を示すグラフである。 本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における回折カップリングが変調された回折格子ベースのバックライトの断面図を示す。 本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例における回折カップリングが変調された回折格子ベースのバックライトの断面図を示す。 本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例におけるサブ波長ギャップを有する回折格子の上面図を示す。 ［図４Ａ］本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子ベースのバックライトの断面図を示す。 ［図４Ｂ］本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における図４Ａのマルチビーム回折格子ベースのバックライトの斜視図を示す。 本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による一例の電子ディスプレイのブロック図である。 本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による一例の電子ディスプレイの動作の方法を示すフローチャートである。
いくつかの例および実施形態は、上記で参照した図に示される特徴の追加または代替の１つである他の特徴を有している。これらおよび他の特徴は、上記で参照した図を参照して以下で詳述される。
本明細書で説明する原理による実施形態は、回折特徴部の変調を用いて回折カップリング強度または効率を制御する、電子ディスプレイ背面照明を提供する。具体的には、本明細書で説明する電子ディスプレイの背面照明は、複数の回折格子を使用する。回折格子は、ライトガイドから光を外方へ回折散乱させるかまたは光をカップリングして外へ出し、カップリングして外へ出された光を電子ディスプレイの視認方向に方向付けるために用いられる。回折格子のそれぞれ１つによってカップリングして外へ出される光の量は、回折格子の回折カップリング効率または等価的に回折カップリング強度によって決定される。回折特徴部変調は、回折カップリング効率を選択的に制御するのに用いられる。いくつかの例では、選択的に制御された回折カップリング効率は、ライトガイド内で導波された光の強度の減少を補償してもよい。光強度の減少を補償することによって、回折格子によってカップリングしてライトガイドから外へ出された光は、例えば、ライトガイドまたはそれを使用するバックライトの長さに沿ってより均一であってもよい。
様々な実施形態によれば、カップリングして外へ出された光は、視認方向に方向付けられた複数の光ビームを形成する。本明細書で説明する原理の様々な実施形態によれば、複数の光ビームは、互いに異なる主極大角度方向を有することができる。具体的には、複数の光ビームは、視認方向の視野を形成または提供することができる。いくつかの実施形態では、異なる主極大角度方向を有する光ビーム（「異なる方向に向けられた光ビーム」とも呼ばれる）を使用して、３次元（３Ｄ）情報を表示することができる。例えば、異なる方向に向けられた光ビームは、変調され、「裸眼」３Ｄ電子ディスプレイの画素として作用することができる。選択的に制御された回折カップリング効率を用いて光強度の変化（例えば、光強度の減少）を補償することによって、回折特徴部変調を有する回折格子を使用する電子ディスプレイは、例えば、それらと別の方法で可能であるよりも改善された照明の均一性を示すことができる。
図１は、本明細書で説明する原理と一致する一例による、ライトガイドにおける距離の関数としての光強度のグラフを示す。距離の関数としての照明光強度は、例えば、回折格子ベースのバックライトで用いられるライトガイドで観察される光強度と一致することができる。具体的には、光がライトガイドの長さに沿って、入力端から入力端の反対側の端部（例えば、終端）まで伝播するに従って、例えば回折格子によって、導波光の一部をカップリングして外へ出すことができる。導波光がカップリングされて外へ出されるので、ライトガイドに残る光が少なくなり、結果として、ライトガイドの残りの長さに沿った光強度が減少する。ライトガイドの長さに沿った光強度は、限定はしないが、吸収損失および様々な形態の散乱を含む他のプロセスによって影響を受ける可能性がある。様々な例によれば、光強度は、例えば図１に示されるように、距離または長さの関数として指数関数的に減少することがある。本明細書で説明する原理による実施形態を用いて、距離の関数としての光強度の減少を緩和または補償することができる。
本明細書では「ライトガイド」は、内部全反射を用いて構造体内で光を導波する構造体として定義される。特に、ライトガイドは、ライトガイドの動作波長において実質的に透明なコアを含んでもよい。様々な例では、「ライトガイド」という用語は全般的に、ライトガイドの誘電体材料と、そのライトガイドを取り囲む材料または媒体との間の境界面において光を導波するために内部全反射を使用する誘電体光導波路を指す。定義上、内部全反射のための条件は、ライトガイドの屈折率が、ライトガイド材料の表面に隣接する周囲の媒体の屈折率より大きいことである。いくつかの例では、ライトガイドは、内部全反射をさらに容易にするために、上述の屈折率差に加えてまたはその代わりにコーティングを含んでもよい。コーティングは、例えば反射コーティングであってもよい。様々な例によれば、ライトガイドは、平板またはスラブライトガイドおよびストリップガイドの一方または両方を含むがこれらに限定されない、いくつかのライトガイドのうち任意のものとすることができる。
本明細書ではさらに、「平板」という用語は、「平板ライトガイド」のようにライトガイドに適用された場合は、区分的（piece-wise）または個別的（differentially）に平面状の層またはシートとして定義される。特に、平板ライトガイドは、ライトガイドの上面と下面（すなわち、対向する表面）により境界を画された２つの実質的に直交する方向に光を導波するように構成されたライトガイドとして定義される。さらに、本明細書における定義上、上面および下面はともに互いに隔てられ、少なくとも個別的な意味で互いに実質的に平行であり得る。すなわち、平板ライトガイドのいずれの個別的に小さな領域内でも、上面および下面は実質的に平行であるかまたは同一平面にある。いくつかの例では、平板ライトガイドは、実質的に平坦（例えば平面に制限される）であってよく、したがって平板ライトガイドは平面状ライトガイドとなる。他の例では、平板ライトガイドは、１つまたは２つの直交する寸法において曲線状であってもよい。例えば、平板ライトガイドは、円筒形状の平板ライトガイドを形成するように、単一の寸法において曲線状であってもよい。しかしながら、様々な例では、いずれの曲率も、光を導波するために平板ライトガイド内での内部全反射が維持されることを確実にするように、十分大きな曲率半径を有する。
本明細書で説明する様々な例によれば、回折格子（例えば、マルチビーム回折格子）を使用して、光を散乱またはカップリングして、光ビームとしてライトガイド（例えば、平板ライトガイド）から外へ出すことができる。本明細書において、「回折格子」は、回折格子に入射する光の回折を実現するように配置された複数の特徴部（すなわち、回折特徴部）として全般的に定義される。いくつかの例では、複数の特徴部は、周期的にまたは準周期的に配置されてもよい。例えば、回折格子は、１次元（１Ｄ）アレイに配置された複数の特徴部（例えば、材料表面における複数の溝）を含んでもよい。他の例では、回折格子は、特徴部の２次元（２Ｄ）アレイであってもよい。例えば、回折格子は、材料表面の突起または穴の２Ｄアレイであってもよい。
このように、また本明細書における定義上、「回折格子」は、回折格子に入射する光の回折を実現する構造体である。光がライトガイドから回折格子に入射すると、そこで実現される回折または回折散乱は、回折カップリングを生じ得、したがってそれは「回折カップリング」と呼ばれるが、回折格子が回折によりライトガイドから光をカップリングして外へ出すことができる。回折格子はまた、回折により光の角度（すなわち、回折角度で）を方向変更する、または変化させる。特に、回折の結果として、回折格子を出る光（すなわち、回折された光）は、概して回折格子への光入射（すなわち、入射光）の伝播方向とは異なる伝播方向を有する。本明細書では、回折による光の伝播方向の変化は、「回折的方向変更（diffractive redirection）」と呼ばれる。したがって、回折格子は、回折格子に入射する光を回折により方向変更する回折特徴部を含む構造体であると理解することができ、光がライトガイドから入射する場合には、回折格子はライトガイドから光を回折によりカップリングして外へ出すこともできる。
さらに、本明細書における定義上、回折格子の特徴部は、「回折特徴部」と呼ばれ、表面（例えば２つの材料間の境界）で、表面内、および表面上（at, in and on）のうちの１つまたは複数にあるものとすることができる。この表面は、例えば平板ライトガイドの表面とすることができる。回折特徴部は、表面で、表面内、または表面上の溝、隆線、穴、および突起のうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない、光を回折する様々な構造体のうちの任意のものを含むことができる。例えば回折格子は、材料表面における複数の平行な溝を含むことができる。別の例では、回折格子は、材料表面から立ち上がった複数の平行な隆線を含むことができる。回折特徴部（例えば溝、隆線、穴、突起など）は、正弦波輪郭、長方形輪郭（例えば、バイナリ回折格子）、三角形輪郭、および鋸歯状輪郭（例えば、ブレーズ化格子）のうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない、回折を実現する様々な断面形状または輪郭のうちの任意のものを有することができる。
本明細書における定義上、「マルチビーム回折格子」は、複数の光ビームを含むカップリングして外へ出される光を生成する回折格子である。さらに、マルチビーム回折格子により生成される複数の光ビームは、本明細書における定義上、互いに異なる主極大角度方向（principal angular direction）を有する。特に、定義上、マルチビーム回折格子による入射光の回折カップリングおよび回折的方向変更の結果として、複数の光ビームのうちの１つの光ビームは、複数の光ビームのうちの別の光ビームとは異なる所定の主極大角度方向を有する。例えば、複数の光ビームは、８つの異なる主極大角度方向を有する８つの光ビームを含んでもよい。例えば、組み合わされた８つの光ビーム（すなわち、複数の光ビーム）が、光照射野（light field）を表してもよい。様々な例によれば、様々な光ビームの異なる主極大角度方向は、それぞれの光ビームの原点でマルチビーム回折格子の回折特徴部の格子ピッチまたは間隔と、向きまたは回転とを組み合わせることによって、マルチビーム回折格子に入射する光の伝播方向に対して決定される。
本明細書で説明する様々な実施形態によれば、回折格子（例えばマルチビーム回折格子）によりライトガイドからカップリングして外へ出される光は、電子ディスプレイの画素を表す。特に、異なる主極大角度方向を有する複数の光ビームを生成するためのマルチビーム回折格子を有するライトガイドは、「裸眼」３次元（３Ｄ）電子ディスプレイ（例えば、マルチビューもしくは「ホログラフィック」電子ディスプレイ、またはオートステレオスコピックディスプレイとも呼ばれる）などであるがこれらに限定されない電子ディスプレイのバックライト、またはそれらの電子ディスプレイと併せて用いられるバックライトの一部とすることができる。したがって、マルチビーム回折格子を用いて導波光をライトガイドからカップリングして外へ出すことにより生成される異なる方向に向けられた光ビームは、３Ｄ電子ディスプレイの「画素」とすることができる、または「画素」を表すことができる。さらに、異なる方向に向けられた光ビームは、様々な例によれば、光照射野を形成することができる。
本明細書において、「光源」は、光の発生源（例えば、光を生成し放射する装置またはデバイス）として定義される。例えば、光源は、作動させると光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。本明細書において、光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、ポリマー発光ダイオード、プラズマを用いた光学エミッタ、蛍光ランプ、白熱ランプ、および事実上任意の他の光の発生源のうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない実質的に任意の光の発生源または光学エミッタとすることができる。光源によって生成される光は、色を有することができ（すなわち、光の特定の波長を含むことができ）、またはある波長範囲（例えば、白色光）であることができる。
さらに、本明細書で用いられるとき、冠詞「ａ（１つ）」は、特許技術における通常の意味、すなわち、「１つまたは複数（one or more）」を有することを意図するものである。本明細書では例えば、「（１つの）格子（a grating）」は１つまたは複数の格子を意味し、したがって「その（１つの）格子（the grating）」は「その１つまたは複数の格子（the grating(s)）」を意味する。また、本明細書における「上部（top）」、「下部（bottom）」、「上側（upper）」、「下側（lower）」、「上向き（up）」、「下向き（down）」、「前面（front）」、「背面（back）」、「第１の」、「第２の」、「左」、または「右」に対するいずれの参照も、本明細書では限定を意図するものではない。本明細書では、「約」という用語は、値に適用されたときは全般的にその値を生成するために用いられる機器の許容差範囲内を意味し、またはいくつかの例では他に明示的に指定されない限り、±１０％、または±５％、または±１％を意味する。さらに、本明細書で用いられるとき「実質的に」という用語は、大多数、またはほとんどすべて、またはすべて、または例えば約５１％〜約１００％の範囲内の量を意味する。さらに本明細書における例は、例示的にすぎず、考察の目的で示され、限定のためのものではないことが意図される。
本明細書で説明する原理のいくつかの実施形態によれば、回折格子ベースのバックライトが提供される。図２Ａは、本明細書で説明する原理と一致する一実施形態による、一例における回折カップリングが変調された回折格子ベースのバックライト１００の断面図を示す。図２Ｂは、本明細書で説明する原理と一致する別の実施形態による、一例における回折カップリングが変調された回折格子ベースのバックライト１００の断面図を示す。図２Ａおよび２Ｂに示されるように、回折カップリング変調は、回折格子ベースのバックライト１００の回折カップリング効率または回折カップリング強度を変化させるかまたは選択的に制御するのに用いられる。制御された回折カップリング効率は、様々な実施形態に従って、回折格子ベースのバックライト１００内における光強度の変化の効果を補償または緩和するのに用いることができる。
例えば、制御された回折カップリング効率は、光を回折格子ベースのバックライト１００からカップリングして外へ出すかまたは散乱させることによる、回折格子ベースのバックライト１００の長さに沿った光強度の指数関数的減少の効果を緩和または補償するのに用いることができる。外へのカップリングは、例えば、（例えば、光照射野を形成するために）回折格子ベースのバックライト１００の表面から離れるように方向付けられた、複数の光ビーム１０２を形成するのに用いることができる。いくつかの実施形態では、回折格子ベースのバックライト１００は、電子ディスプレイの光源または「バックライト」であることができる。具体的には、いくつかの実施形態によれば、電子ディスプレイは、光ビーム１０２が３Ｄディスプレイの異なる「視像」と関連付けられた画素に対応する、いわゆる「裸眼の」３次元（３Ｄ）電子ディスプレイ（例えば、マルチビューディスプレイもしくはオートステレオスコピックディスプレイ）であることができる。
具体的には、光ビーム１０２は、電子ディスプレイの視認方向で光照射野を形成することができる。いくつかの実施形態によれば、回折格子ベースのバックライト１００によりもたらされる複数の光ビーム１０２のうち１つの（また光照射野内の）光ビーム１０２は、複数の光ビームのうちの他の光ビーム１０２とは異なる主極大角度方向を有するように構成することができる。さらに、その１つの光ビーム１０２は、所定の方向（主極大角度方向）と、光照射野内における比較的狭い角度拡がりの両方を有することができる。光ビーム１０２の主極大角度方向は、例えば、３Ｄ電子ディスプレイの特定の視野の角度方向に対応することができる。そのため、いくつかの実施形態によれば、光ビーム１０２は、３Ｄ電子ディスプレイの画素を表すかまたはそれに対応することができる。
他の実施形態では、複数の光ビーム１０２は、実質的に類似した所定の主極大角度方向（図２Ａ〜２Ｂには図示せず）を有することができる。同様の方向に向けられた光ビーム１０２は、一般に、光照射野を形成しないが、その代わりに、実質的に一方向性であるカップリングして外へ出される光を表す。例えば、同様の方向に向けられた光ビーム１０２は、２次元（２Ｄ）ディスプレイを背面照明するのに用いることができる。
いくつかの実施形態では、光ビーム１０２は、（例えば、以下で説明するように１つのライトバルブにより）変調されてもよい。回折格子ベースのバックライト１００から離れるように異なる角度方向に方向付けられた光ビーム１０２の変調は、例えば動的な３Ｄ電子ディスプレイ用途に対して特に有用となり得る。すなわち、特定の視野方向に方向付けられた個々に変調された光ビーム１０２は、特定の視野方向に対応する３Ｄ電子ディスプレイの動的画素を表すことができる。
図２Ａおよび２Ｂに示すように、回折格子ベースのバックライト１００はライトガイド１１０を備える。具体的には、いくつかの実施形態によれば、ライトガイド１１０は平板ライトガイド１１０であることができる。ライトガイド１１０は、光源（図２Ａ〜２Ｂには図示せず）からの光を導波光１０４として導波するように構成されている。例えば、ライトガイド１１０は、光導波路として構成された誘電体材料を含んでいてもよい。誘電体材料は、誘電体光導波路を取り囲む媒体の第２の屈折率より大きい、第１の屈折率を有していてもよい。例えば、屈折率の差は、ライトガイド１１０の１つまたは複数の導波モードによる導波光１０４の内部全反射を容易にするように構成されている。
いくつかの実施形態では、光源からの光は、ライトガイド１１０の長さに沿って光のビーム１０４として導波される。さらに、ライトガイド１１０は、ゼロ以外の伝播角度で光（すなわち、導波光ビーム１０４）を導波するように構成することができる。例えば、導波光ビーム１０４は、内部全反射を使用して、ライトガイド１１０内でゼロ以外の伝播角度で導波することができる。
本明細書において定義される非ゼロの伝播角度は、ライトガイド１１０の表面（例えば、上面または下面）に対する角度である。いくつかの例では、導波光ビーム１０４の非ゼロの伝播角度は、約１０度〜約５０度とすることができ、またはいくつかの例では、約２０度〜約４０度、または約２５度〜約３５度とすることができる。例えば、非ゼロの伝播角度は約３０度とすることができる。他の例では、非ゼロの伝播角度は、約２０度、または約２５度、または約３５度とすることができる。
いくつかの例では、光源からの光は、非ゼロの（例えば、約３０〜３５度）伝播角度でライトガイド１１０内に導入される、またはカップリングして入れられる。レンズ、ミラー、または同様の反射体（例えば、傾斜したコリメート反射体（collimating reflector）、およびプリズム（図示せず））のうちの１つまたは複数が、光を、光のビームとして非ゼロの伝播角度でライトガイド１１０の入力端部にカップリングして入れるのを容易にすることができる。ライトガイド１１０内にカップリングして入れられると、導波光ビーム１０４は、入力端部から概して離れる方向にライトガイド１１０に沿って伝播する。（例えば、図２Ａ〜２Ｂのｘ軸に沿って指している太線の矢印によって示される）。さらに、導波光ビーム１０４は、ゼロ以外の伝播角度度でライトガイド１１０の上面および下面の間での反射または「跳ね返り」によって伝播する（例えば、導波光ビーム１０４の光線を表す延長された角度付きの矢印によって示される）。
いくつかの例によれば、光をライトガイド１１０にカップリングして入れることにより生成される導波光ビーム１０４は、コリメートされた光ビームとすることができる。特に、「コリメートされた光ビーム」とは、導波光ビーム１０４内の複数の光線が、導波光ビーム１０４内で互いに実質的に平行であることを意味する。導波光ビーム１０４のコリメートされた光ビームから発散するかまたは散乱された光線は、本明細書の定義によって、コリメートされた光ビームの一部とは見なされない。例えば、コリメートされた導波光ビーム１０４を生成するための光のコリメーションは、ライトガイド１１０に光をカップリングして入れるために用いられるレンズまたはミラー（例えば、傾斜したコリメート反射体など）によって実現することができる。
いくつかの例では、ライトガイド１１０（例えば、平板ライトガイド１１０など）は、光学的に透明な誘電体材料の、長い実質的に平面状のシートを備えるスラブまたは平板の光導波路であってもよい。誘電体材料の実質的に平面状のシートは、内部全反射を用いて導波光ビーム１０４を導波するように構成される。様々な例によれば、ライトガイド１１０の光学的に透明な材料は、様々なタイプのガラス（例えば石英ガラス、アルカリ・アルミノシリケート・ガラス、ホウケイ酸ガラスなど）、および実質的に光学的に透明なプラスチックまたはポリマー（例えばポリ（メチルメタクリレート）または「アクリルガラス」、ポリカーボネートなど）のうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない様々な誘電体材料のうちの任意のものを含んでもよいし、またはこれらのうちの任意のもので形成されてもよい。いくつかの例では、ライトガイド１１０は、ライトガイド１１０の表面（例えば、上面および下面の一方または両方）の少なくとも一部分上にクラッド層をさらに含んでもよい（図示せず）。いくつかの例によれば、クラッド層は、内部全反射をさらに容易にするために用いられてもよい。
様々な実施形態によれば、回折格子ベースのバックライト１００は複数の回折格子１２０をさらに備える。複数の回折格子１２０は、例えば、回折格子１２０のアレイとして配置されるかまたはそれを表すことができる。図２Ａ〜２Ｂに示すように、回折格子１２０はライトガイド１１０の表面（例えば、上面または前面）に配置される。他の例（図示せず）では、回折格子１２０のうち１つまたは複数をライトガイド１１０内に配置することができる。
様々な実施形態によれば、複数のうち１つの回折格子１２０は、回折カップリング（例えば、「回折散乱」とも呼ばれる）によって、またはそれを用いて、導波光ビーム１０４の一部分をライトガイド１１０から散乱させるかまたはカップリングして外へ出すように構成される。例えば、導波光ビーム１０４のその一部分は、ライトガイド面を通して（例えば、ライトガイド１１０の上面を通して）回折格子１２０によって回折カップリングされて外へ出されてもよい。さらに、回折格子１２０は、カップリングして外に出された光ビーム（例えば、光ビーム１０２）として、導波光ビーム１０４の一部分を回折カップリングして外へ出すように構成される。様々な例によれば、カップリングして外へ出された光ビーム１０２は、所定の主極大角度方向でライトガイド面から離れて方向付けられる。具体的には、導波光ビーム１０４のカップリングして外へ出された部分は、複数の光ビーム１０２として、複数の回折格子１２０によってライトガイドから離れるように回折によって方向変更される。いくつかの例によれば、上述したように、複数の光ビームのうちの光ビーム１０２はそれぞれ、異なる主極大角度方向を有することができ、複数の光ビームは光照射野を表すことができる。他の例によれば、複数の光ビームのうちの光ビーム１０２はそれぞれ、実質的に同じ主極大角度方向を有することができ、異なる主極大角度方向を有する光ビームを有する複数の光ビームによって表される光照射野とは対照的に、複数の光ビームは実質的に一方向の光を表すことができる。
様々な実施形態によれば、回折格子１２０はそれぞれ、回折をもたらす複数の回折特徴部１２２を備える。もたらされる回折は、ライトガイド１１０からの導波光ビーム１０４の部分の回折カップリングを担う。例えば、回折格子１２０は、回折特徴部１２２としての役割を果たす、ライトガイド１１０の表面内の複数の溝およびライトガイド表面１１０から突出した複数の隆線の一方または両方を含んでいてもよい。これらの溝および隆線は、互いに平行または実質的に平行に配置してもよく、かつ少なくともある点では、回折格子１２０によりカップリングして外へ出される導波光ビーム１０４の伝播方向と垂直に配置してもよい。
いくつかの例では、これらの溝または隆線は、表面内へエッチング、ミリング、またはモールドしてもよく、または表面上に貼り付けてもよい。したがって、回折格子１２０の材料は、ライトガイド１１０の材料を含んでいてもよい。図２Ａに示すように、例えば、回折格子１２０は、ライトガイド１１０の表面に形成された実質的に平行な溝を含む。図２Ｂでは、回折格子１２０は、例えば、ライトガイド表面から突出する実質的に平行な隆線を含む。他の例（図示せず）では、回折格子１２０は、ライトガイド表面に貼り付けられたまたは固定された膜もしくは層内に、または膜もしくは層として実装されていてもよい。
様々な例によれば、複数の回折格子１２０は、ライトガイド１１０の表面、表面上、または表面内に様々な構成で配置できる。例えば、複数の回折格子１２０は、ライトガイド表面にわたって（例えば、アレイとして）複数列および複数行に配置することができる。別の例では、複数の回折格子１２０は、複数のグループ（例えば、３格子の１グループであり、このグループ内の各格子は異なる光の色に関連する）で配置でき、これらのグループは複数行および複数列に配置できる。また別の例では、複数の回折格子１２０は、ライトガイド１１０の表面にわたって実質的にランダムに分配することができる。
様々な実施形態によれば、複数の回折格子１２０の回折特徴部１２２は、回折特徴部変調を含む。回折特徴部変調は、回折格子１２０の回折カップリング効率、または等価的にカップリング強度を、選択的に制御するように構成される。具体的には、回折カップリング効率は、ライトガイド表面に沿った長さの関数として、回折特徴部変調によって選択的に制御される。さらに、回折特徴部変調は、複数の回折格子１２０（例えば、アレイとして配置される）に沿った長さの関数として、回折カップリング効率の選択的制御を提供する。例えば、回折特徴部変調は、導波光ビーム部分を回折カップリングによって外へ出すことによる、導波光ビームの強度における指数関数的減少を補償するため、ライトガイド表面に沿った長さの関数として、回折カップリング効率の増加（例えば、指数関数的増加）を提供するように構成することができる。指数関数的増加は、例えば、ライトガイド長さの関数として、ライトガイド１１０内の導波光ビーム１０４の強度の指数関数的減少のほぼ反転であるように構成することができる。他の例では、回折特徴部変調は、指数関数的減少、線形的増加または減少、二次増加または減少、または回折カップリング効率の正弦を含むがそれらに限定されない長さの関数として、回折カップリング効率における別の変化を提供するように構成することができる。
様々な実施形態によれば、回折特徴部変調は、隣接した回折格子１２０の回折特徴部１２２の特性のばらつきの変調を含む。本明細書で用いられるとき、「特性」という用語は、回折特徴部１２２に適用されたときは、回折格子１２０内の回折特徴部１２２の物理的サイズ、形状、および構成のうち１つまたは複数として定義される。いくつかの実施形態では、回折特徴部変調は、時間の関数として、実質的に静的または実質的に不変であることができる。すなわち、回折特徴部変調は、時間に伴ってではなく距離または長さに伴う、回折特徴部１２２の変更または変化を表す。それにより、いくつかの実施形態では、回折特徴部変調は、「ＤＣ回折特徴部変調」と呼ぶことができ、「ＤＣ」は「直流」と同等に用いられ、「ＤＣ」は、電子において、時間の関数として（例えば、電流または電圧の）一定値を意味するのに用いられる。
本明細書で用いられるとき、回折特徴部の特性の変調（すなわち、回折特徴部変調）は、一般に、本明細書の定義による回折格子１２０の全体サイズの変化を含まない。具体的には、回折格子１２０の全体サイズは、回折格子１２０の回折カップリング効率を制御するのに用いることもできるが、回折特徴部変調は、本明細書で用いられるような、回折格子サイズを使用せず、または排他的に使用しない。すなわち、いくつかの実施形態によれば、回折格子サイズは、回折カップリング効率を選択的に制御するのに、回折特徴部変調の代わりにではなく、それに加えて使用することができる。しかしながら、他の実施形態では、複数の回折格子１２０は、実質的に等しいサイズを有する回折格子を含み、回折カップリング効率は回折特徴部変調のみを使用して選択的に制御される。
いくつかの実施形態によれば、回折特徴部変調は回折特徴部振幅を含む。具体的には、回折特徴部１２２の振幅は、回折特徴部変調を実現するため、距離の関数として、１つの回折格子１２０から次の回折格子で変調または変更することができる。例えば、回折格子１２０の溝の深さまたは隆線の高さ（すなわち、回折特徴部振幅）は、ライトガイド１１０に沿った距離の関数として変更することができる。一例では、各連続する回折格子１２０の溝の深さまたは隆線の高さは、光源に隣接したライトガイド端部（すなわち、入力端）から、ライトガイド１１０の反対側端部（すなわち、終端）までで増加することができる。連続した回折格子１２０の溝の深さまたは隆線の高さの増加によって、ライトガイド１１０に沿った長さの関数として、回折格子１２０の回折カップリング効率または回折カップリング強度が増加する。
図２Ａは、ライトガイド１１０に沿った長さの関数として、または等価的に距離の関数として、溝の深さの変調を含む回折特徴部変調を示す。具体的には、図２Ａに示されるように、連続した回折格子１２０の溝の深さは、ライトガイド１１０の入力端（左側）に隣接した回折格子１２０から、ライトガイド１１０の終端（右側）に隣接した回折格子１２０までで増加する。図２Ｂは、ライトガイド１１０に沿った長さの関数としての、隆線高さ変調を含む回折特徴部変調を示す。具体的には、図２Ｂに示されるように、連続した回折格子１２０の隆線の高さは、ライトガイド１１０の入力端から終端（右から左）までで増加する。
回折特徴部振幅変調の溝の深さの変化または隆線高さの変化は、グレイトーンリソグラフィ、マルチレベル乾式エッチング、およびナノインプリントリソグラフィを含むがそれらに限定されない技術を用いて、回折格子１２０の（例えば、製造中に）提供することができる。グレイトーンリソグラフィは、回折格子１２０の溝または隆線を表す異なる特徴深さを有するレジストマスクを用いることを含む。例えば、レジストの露光時間を制御することで、異なる特徴深さを生じることができる。例えば、マルチレベル乾式エッチングは、類似した複数の異なるエッチングレベルまたは深さを達成して、回折特徴部振幅変調を生じさせるため、複数の実質的に独立したリソグラフィおよび乾式エッチングのステップを使用することができる。
いくつかの例（図示せず）によれば、回折特徴部変調は、回折格子１２０の回折特徴部のデューティサイクルの変調を含む。具体的には、溝または隆線の幅対ピッチの比は、複数の回折格子１２０の隣接したものの間で変化させて、デューティサイクル変調を提供することができる。いくつかの例によれば、幅対ピッチの比は、約５０パーセント（５０％）の平均値周辺で変更することができる。幅対ピッチの比を５０％の付近で変更することで、例えば、より高次の回折成分の生成を最小限にすることができる。例えば、デューティサイクル変調は、約３０パーセント（３０％）と約７０パーセント（７０％）との間で幅対ピッチの比を変更することを含んでいてもよい。別の例では、幅対ピッチの比の変更は、約４０パーセント（４０％）と約６０パーセント（６０％）の間、または約４５パーセント（４５％）と約５５パーセント（５５％）の間であってもよい。
いくつかの実施形態によれば、個々の回折特徴部１２２の有効密度は、回折特徴部変調を提供するために変更または変調することができる。具体的には、回折特徴部変調は、回折特徴部１２２のサブ波長ギャップを含むことができる。サブ波長ギャップは、個々の回折特徴部１２２の有効密度または等価的に有効局所カップリング強度を変調するように構成されている。サブ波長ギャップを用いることは、本明細書では、回折特徴部の「有効密度変調」と呼ばれるが、それは、サブ波長ギャップの数、幅、および間隔が、回折特徴部１２２の個々の１つの有効密度を変更し、結果としてその回折強度を有効に変更するためである。サブ波長ギャップは、いくつかの実施形態に従って、回折次数が付加的に作成されるのを回避するため、有効密度変調に使用されることに留意されたい。
図３は、本明細書で説明する原理と一致する一実施形態による、一例におけるサブ波長ギャップ１２４を含む回折格子１２０の上面図を示す。具体的には、図３は、例として非限定的に、回折特徴部１２２の間にサブ波長ギャップ１２４を有する、マルチビーム回折格子１２０である回折格子１２０の上面図を示す。マルチビーム回折格子１２０は、図４Ａおよび４Ｂを参照してさらに詳細に下記に説明する。
図３を参照すると、回折特徴部１２２間のサブ波長ギャップ１２４は、ライトガイド１１０に沿った（例えば、１０４と名付けた太線の矢印によって示される）導波光ビーム１０４の伝播方向と実質的に平行であり得る。導波光ビーム１０４は、回折格子１２０によってカップリングされてライトガイド１１０の外に出される。いくつかの実施形態によれば、回折格子１２０のサブ波長ギャップ１２４の数（すなわち、密度）、幅、および間隔のうち１つまたは複数を変更することで、回折特徴部変調を提供する。
いくつかの実施形態によれば、回折特徴部変調は、回折特徴部の振幅の変調、回折特徴部のデューティサイクルの変調、および回折特徴部のサブ波長ギャップ１２４の有効密度の変調のうち１つまたは複数を含んでいてもよい。具体的には、回折特徴部変調の異なるもの（すなわち、回折特徴部の振幅の変調、回折特徴部のデューティサイクルの変調、回折特徴部の有効密度の変調）は、導波光ビーム１０４の波長の関数としての、回折カップリング効率に影響を及ぼすことができる。例えば、様々な異なる変調タイプを組み合わせることで、例えば波長の関数として（例えば、カラーバランスを微調整するため）、回折カップリング効率の平衡化または調整を容易にすることができる。さらに、いくつかの実施形態によれば、回折特徴部変調は長さに沿って実質的に均一であることができるが、一方で他の実施形態では、実質的に不均一な回折特徴部変調を使用することができる。
いくつかの実施形態によれば、複数の回折格子１２０はマルチビーム回折格子１２０を含む。例えば、複数の回折格子１２０のすべてまたは実質的にすべてがマルチビーム回折格子１２０であることができる。マルチビーム回折格子１２０は、（例えば、図２Ａおよび２Ｂに示すように）導波光ビーム１０４の一部分を複数の光ビーム１０２としてカップリングして外へ出すように構成された回折格子１２０であり、複数のうちある光ビーム１０２は、複数の光ビームのうち他の光ビーム１０２とは異なる主極大角度方向を有する。併せて、様々な実施形態によれば、マルチビーム回折格子１２０によってカップリングされて外へ出された複数の光ビーム１０２は、光照射野を形成する。
様々な例によれば、マルチビーム回折格子１２０はチャープ回折格子１２０を含んでいてもよい。例えば図２Ａおよび２Ｂに示すように、定義上、「チャープ」回折格子１２０は、チャープ回折格子１２０の範囲または長さにわたって変化する回折特徴部の回折間隔を呈するかまたは有する回折格子である。本明細書では、変化する回折間隔は「チャープ」と呼ばれる。その結果、ライトガイド１１０から回折によりカップリングして外へ出された導波光ビーム１０４は、チャープ回折格子１２０にわたる異なる原点に対応する異なる回折角において、光ビーム１０２としてチャープ回折格子１２０から出射するかまたは放射される。所定のチャープのおかげで、チャープ回折格子１２０は、複数の光ビームのうちカップリングして外へ出された光ビームの所定の、かつ異なる主極大角度方向を担う。
図４Ａは、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子ベースのバックライト１００の断面図を示す。図４Ｂは、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における図４Ａのマルチビーム回折格子ベースのバックライト１００の斜視図を示す。それらの図に示されるように、マルチビーム回折格子ベースのバックライト１００はマルチビーム回折格子１２０を含む。マルチビーム回折格子１２０は、例として非限定的に、ライトガイド１１０の表面に溝を含む。例えば、図４Ａおよび４Ｂに示すマルチビーム回折格子１２０は、図２Ａに示す溝ベースの回折格子１２０のうちの１つであることができる。
図４Ａ〜４Ｂに（また、例として非限定的に図２Ａ〜２Ｂにも）示すように、マルチビーム回折格子１２０はチャープ回折格子である。具体的には、図示のように、回折特徴部１２２は、マルチビーム回折格子１２０の第２の端部１２０’’では、第１の端部１２０’でよりも互いに近くにある。さらに、図示の回折特徴部１２２の回折間隔ｄは、第１の端部１２０’から第２の端部１２０’’まで線形に変化する。いくつかの例では、チャープ回折格子１２０は、距離と共に線形に変化する回折間隔ｄのチャープを有するかまたは呈することができる。したがって、チャープ回折格子１２０は、「線形チャープ」回折格子と呼ぶことができる。
いくつかの例では、マルチビーム回折格子１２０を用いてライトガイド１１０から光をカップリングして外へ出すことにより生成された光ビーム１０２は、導波光ビーム１０４がマルチビーム回折格子１２０の第１の端部１２０’からマルチビーム回折格子１２０の第２の端部１２０’’に（例えば、図４Ａに示すように）ライトガイド１１０内を伝播するときには、発散する（すなわち、発散光ビーム１０２である）ことができる。代替的には、他の例（図示せず）に従って、導波光ビーム１０４がライトガイド１１０内を逆方向で、すなわちマルチビーム回折格子１２０の第２の端部１２０’’から第１の端部１２０’に伝播するときには、収束光ビーム１０２が生成され得る。
別の例では（図示せず）、チャープ回折格子１２０は、回折間隔ｄの非線形チャープを呈してもよい。チャープ回折格子１２０を実現するために用いることができる様々な非線形チャープは、指数関数チャープ、対数チャープ、および別の実質的に不均一またはランダムであるが依然として単調に変化するチャープを含むが、これらに限定されない。正弦波チャープまたは三角形もしくは鋸歯状チャープなどであるが、これらに限定されない、非単調なチャープも使用可能である。これらのタイプのチャープのうちいずれかの組み合わせも使用可能である。
図４Ｂに示すように、マルチビーム回折格子１２０は、チャープされた曲線状の、ライトガイド１１０の表面内、表面、または表面上の、回折特徴部１２２（例えば、溝または隆線）を含んでいる（すなわち、マルチビーム回折格子１２０は、曲線状のチャープされた回折格子である）。導波光ビーム１０４は、図４Ｂで１０４と名付けた太線の矢印によって示されるような、マルチビーム回折格子１２０およびライトガイド１１０に対する入射方向を有する。また、ライトガイド１１０の表面でマルチビーム回折格子１２０から離れるように向いた、複数のカップリングして外へ出されるかまたは放射された光ビーム１０２が示される。示された光ビーム１０２は、複数の所定の異なる主極大角度方向に放射される。特に、放射された光ビーム１０２の所定の異なる主極大角度方向は、示されるように、（例えば、光照射野を形成するために）方位角および仰角の両方において異なる。様々な例によれば、回折特徴部１２２の所定のチャープと回折特徴部１２２の曲線との両方によって、放射される光ビーム１０２の所定の異なる主極大角度方向がもたらされ得る。
例えば、曲線により、マルチビーム回折格子１２０内の回折特徴部１２２は、導波光ビーム１０４の入射方向に対して様々な向きを有していてもよい。具体的には、マルチビーム回折格子１２０内の第１の点または位置における回折特徴部１２２の向きは、導波光ビームの入射方向に対して、別の点または位置における別の特徴部１２２の向きとは異なっていてもよい。いくつかの例によれば、カップリングして外へ出されるかまたは放射された光ビーム１０２に対して、光ビーム１０２の主極大角度方向｛θ，φ｝の方位角成分φは、光ビーム１０２の原点（すなわち、入射導波光１０４がカップリングして外へ出される点）における回折特徴部１２２の方位配向角φｆによって決定されるか、またはそれに対応していてもよい。したがって、マルチビーム回折格子１２０内の回折特徴部１２２の変化する向きは、少なくともそれらそれぞれの方位角成分φの観点から、異なる主極大角度方向｛θ，φ｝を有する異なる光ビーム１０２を生成する。
具体的には、回折特徴部１２２の曲線に沿った異なる点において、曲線状の回折特徴部１２２に関連するマルチビーム回折格子１２０の「下にある回折格子」は、異なる方位配向角φｆを有している。したがって、曲線状の回折特徴部１２２に沿った所定の点において、曲線は、曲線状の回折特徴部１２２に沿った別の点における方位配向角φｆとは一般に異なる、特定の方位配向角φｆを有している。さらに、特定の方位配向角φｆは、所定の点から放射された光ビーム１０２の主極大角度方向｛θ，φ｝の対応する方位配向角成分φをもたらす。いくつかの例では、回折特徴部（例えば、溝、隆線など）の曲線は、円の一区間を表していてもよい。円は、ライトガイド表面と同一平面としてもよい。他の例では、曲線は、例えばライトガイド表面と同一平面である、楕円または別の曲線状形状の一区間を表していてもよい。
他の例では、マルチビーム回折格子１２０は、「区分的に」曲線状である回折特徴部１２２を含んでいてもよい。具体的には、回折特徴部は、それ自体で実質的に滑らかなまたは連続した曲線を表さなくてもよいが、マルチビーム回折格子１２０内の回折特徴部に沿った異なる点において、回折特徴部は、以前として導波光ビーム１０４の入射方向に対して異なる角度に向けられてもよい。例えば、回折特徴部１２２は、複数の実質的に直線の区画を含む溝とすることができ、各区画は隣接する区画とは異なる向きを有している。様々な例によれば、併せて、区画の異なる角度は、曲線（例えば、円の一区画）を近似していてもよい。さらに他の例では、回折特徴部１２２は、特定の曲線（例えば、円または楕円）を近似せずに、単にマルチビーム回折格子１２０内の異なる場所において、導波光の入射方向に対して異なる向きを有していてもよい。
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのバックライト１００は、光源（図４Ａ〜４Ｂには図示せず）をさらに含んでいてもよい。光源は、カップリングされてライトガイド１１０内へ入ったときに導波光ビーム１０４となる光を供給するように構成してもよい。様々な実施形態では、光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、蛍光灯、およびレーザのうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない、実質的に任意の光源としてもよい。いくつかの例では、光源は、特定の色により表される狭帯域のスペクトルを有する実質的に単色の光を生成してもよい。他の例では、光源によって提供される光は実質的に広帯域のスペクトルを有する。例えば、光源によって生成される光は白色光であってもよく、光源は蛍光であってもよい。
本明細書で説明する原理のいくつかの例によれば、電子ディスプレイが提供される。様々な実施形態によれば、電子ディスプレイは、変調された光ビームを電子ディスプレイの画素として放射するように構成される。さらに、様々な例では、放射された、変調された光ビームは、複数の異なる方向に向けられた光ビームとして、電子ディスプレイの視認方向に向かって優先的に方向付けられてもよい。いくつかの例では、電子ディスプレイは、３次元（３Ｄ）電子ディスプレイ（例えば裸眼の３Ｄ電子ディスプレイ）である。様々な例によれば、変調され、異なる方向に向けられた光ビームのうちの異なる光ビームは、３Ｄ電子ディスプレイに関連する異なる「視像（view）」に対応し得る。例えば、異なる視像は、３Ｄ電子ディスプレイにより表示される情報の「裸眼の」（例えばオートステレオスコピックな）表現を実現することができる。
図５は、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例の、電子ディスプレイ２００のブロック図を示す。具体的には、図５に示す電子ディスプレイ２００は、３Ｄ電子ディスプレイ２００の異なる視像に対応する画素を表す、変調された光ビーム２０２を放射するように構成された３Ｄ電子ディスプレイ２００（例えば、「裸眼」３Ｄ電子ディスプレイ）である。放射された変調光ビーム２０２は、図５では、例として非限定的に、発散するものとして（例えば、収束するものとは対照的に）示されている。
図５に示す３Ｄ電子ディスプレイ２００は、光を導波する平板ライトガイド２１０を含んでいる。平板ライトガイド２１０内の導波光は、３Ｄ電子ディスプレイ２００により放射される変調光ビーム２０２となる光の発生源である。いくつかの例によれば、平板ライトガイド２１０は、回折格子ベースのバックライト１００に関して上述したライトガイド１１０と実質的に同様とすることができる。例えば、平板ライトガイド２１０は、内部全反射により光を導波するように構成された誘電体材料の平面状のシートであるスラブ光導波路としてもよい。導波光は、光のビームとしてゼロ以外の伝播角度で導波することができる。いくつかの実施形態によれば、さらに、導波光ビームはコリメートされた光ビームであり得る。
図５に示される３Ｄ電子ディスプレイ２００は、さらにマルチビーム回折格子２２０のアレイを含む。様々な実施形態によれば、アレイのマルチビーム回折格子２２０は、マルチビーム回折格子２２０の回折カップリング効率を選択的に制御するように構成された、回折特徴部変調を有する。具体的には、様々な実施形態によれば、回折特徴部変調によってもたらされる選択的に制御された回折カップリング効率は、アレイに沿った長さ（または伝播方向に沿った距離）の関数である。
いくつかの例では、マルチビーム回折格子２２０は、上記で説明した回折格子ベースのバックライト１００のマルチビーム回折格子１２０と実質的に同様であってもよい。特に、アレイのマルチビーム回折格子２２０は、導波光の部分を、複数の光ビーム２０４としてカップリングして外へ出すように構成される。マルチビーム回折格子２２０は、制御された回折カップリング効率に従って、導波光部分をカップリングして外へ出すように構成されている。すなわち、アレイの所定のマルチビーム回折格子２２０によってカップリングされて外へ出された導波光の量は、回折特徴部変調によって生成される制御された回折カップリング効率によって決定される。さらに、マルチビーム回折格子２２０は、複数の光ビーム２０４を、対応する複数の異なる主極大角度方向に向けるように構成される。
いくつかの実施形態によれば、回折特徴部変調は、マルチビーム回折格子２２０の回折特徴部の振幅の変調を含むことができる。回折特徴部振幅変調の代替または追加として、回折特徴部変調は、マルチビーム回折格子２２０の回折特徴部のデューティサイクルの変調および回折特徴部の有効密度の変調の一方または両方を含んでいてもよい。上述したように、例えばカラーバランスを提供するため、回折特徴部振幅変調、回折特徴部デューティサイクル変調、および回折特徴部有効密度変調のうち１つまたは複数の様々な組み合わせを使用してもよい。
さらに、いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子２２０のアレイはチャープ回折格子を含んでいてもよい。いくつかの例では、マルチビーム回折格子２２０の回折特徴部（例えば、溝、隆線など）は、曲線状の回折特徴部である。例えば、曲線状の回折特徴部は、曲線状の（すなわち、連続的に曲線状または区分的に曲線状の）隆線または溝と、アレイのマルチビーム回折格子２２０にわたって距離の関数として変化する曲線状の複数の回折特徴部間の間隔とを含んでいてもよい。
図５に示されるように、３Ｄ電子ディスプレイ２００は、ライトバルブアレイ２３０をさらに含む。様々な例によれば、ライトバルブアレイ２３０は、複数の光ビームのうち異なる方向に向けられた光ビーム２０４を変調するように構成された複数のライトバルブを含む。特に、ライトバルブアレイ２３０のライトバルブは、異なる方向に向けられた光ビーム２０４を変調して、３Ｄ電子ディスプレイ２００の画素である、または３Ｄ電子ディスプレイ２００の画素を表す変調された光ビーム２０２をもたらす。さらに、変調された、異なる方向に向けられた光ビーム２０２のうちの異なる光ビームは、３Ｄ電子ディスプレイの異なる視像に対応し得る。様々な例では、液晶（ＬＣ）ライトバルブ、および電気泳動ライトバルブを含むがこれらに限定されないライトバルブアレイ２３０の異なるタイプのライトバルブが用いられてもよい。図５では、例として光ビーム２０２の変調を表すために破線が用いられている。
いくつかの例では（例えば図５に示されるように）、３Ｄ電子ディスプレイ２００はさらに光源２４０を含む。光源２４０は、平板ライトガイド２１０内を導波光として伝播する光をもたらすように構成される。特に、いくつかの例によれば、導波光は、平板ライトガイド２１０の縁部にカップリングして入れられる光源２４０からの光である。いくつかの例では、光源２４０は、回折格子ベースのバックライト１００に関して上述した光源と実質的に同様である。例えば、光源２４０は、単色光を供給する特定の色（例えば、赤、緑、青）のＬＥＤ、または、限定はしないが、広帯域光（例えば、白色光）を供給する蛍光灯などの広帯域光源を含んでいてもよい。
本明細書で説明する原理のいくつかの例に従って、電子ディスプレイの動作の方法が提供される。具体的には、電子ディスプレイの動作の方法は、複数の回折格子の回折特徴部の変調を用いて、回折カップリング効率を制御することを含む。
図６は、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における電子ディスプレイの動作の方法３００のフローチャートを示す。図示のように、電子ディスプレイの動作の方法３００は、ライトガイド内で光を導波すること３１０を含む。いくつかの実施形態では、ライトガイドおよび導波光は、回折格子ベースのバックライト１００に関して上述したライトガイド１１０および導波光ビーム１０４と実質的に同様としてもよい。具体的には、いくつかの実施形態では、ライトガイドは、光のビーム（例えば、コリメートされたビーム）として、内部全反射による導波光を導波してもよい（３１０）。光ビームは、例えば、ゼロ以外の伝播角度で導波（３１０）されてもよい。さらに、いくつかの実施形態では、ライトガイドは、実質的に平面上の誘電体光導波路（例えば、平板ライトガイド）としてもよい。
電子ディスプレイの動作の方法３００は、複数の回折格子の制御された回折カップリング効率を提供すること３２０をさらに含む。複数の回折格子は、例えば、ライトガイドの表面にあることができ、アレイとして配置することができる。様々な実施形態によれば、回折格子の回折特徴部の変調を用いて、制御された回折カップリング効率が提供される（３２０）。いくつかの実施形態によれば、回折特徴部変調は、回折格子ベースのバックライト１００に関して上述した回折特徴部１２２の変調と実質的に同様としてもよい。例えば、様々な実施形態によれば、回折特徴部変調は、回折特徴部振幅変調、回折特徴部デューティサイクル変調、および回折特徴部有効密度変調のうちの１つまたは複数であってもよい。
電子ディスプレイの動作の方法３００は、制御された回折カップリング効率に従った複数の回折格子を用いて、導波光の一部分を回折によりカップリングして外へ出すこと３３０をさらに含む。すなわち、回折によりカップリングして外へ出される（３３０）導波光の部分は、回折格子の回折特徴部変調を用いて提供される（３２０）制御された回折カップリング効率によって決定される。
様々な例によれば、複数の回折格子はライトガイドの表面に配置される。例えば、回折格子は、ライトガイドの表面に、溝、隆線などとして形成してもよい。他の例では、複数の回折格子は、ライトガイド表面上の膜を含んでいてもよい。いくつかの例では、回折格子は、回折格子ベースのバックライト１００に関して上述した回折格子１２０と実質的に同様である。具体的には、回折格子は、導波光の回折によりカップリングして外へ出された（３２０）部分から、複数の光ビームを生成するように構成された、マルチビーム回折格子であってもよい。他の例では、回折格子は、ライトガイド内を含むがそれに限定されないいずれかの場所に配置される。
電子ディスプレイの動作の方法３００の回折によりカップリングして外へ出された（３３０）の導波光の部分は、ライトガイドの表面から離れて方向付けられた複数の放射光ビームを生成する。複数の光ビームのうち放射光ビームはそれぞれ、所定の主極大角度方向で表面から離れて方向付けられる。具体的には、回折格子がマルチビーム回折格子であるとき、複数の光ビームのうち放射光ビームは、複数の光ビームのうち他の放射光ビームとは異なる主極大角度方向を有していてもよい。いくつかの実施形態によれば、複数の光ビームのうちの光ビームは、電子ディスプレイの画素に対応していてもよい。具体的には、マルチビーム回折格子からの放射光ビームは、３次元（３Ｄ）電子ディスプレイの異なる視像の画素に対応していてもよい。
いくつかの例では、電子ディスプレイの動作の方法３００は、複数の放射された光ビームの光ビームを、対応する複数のライトバルブを用いて変調する３４０ステップをさらに含む。具体的には、回折によりカップリングして外へ出された（３３０）複数の放射光ビームは、対応する複数のライトバルブを通過することにより、またはそれらと別の方法で相互作用することにより変調される（３４０）。いくつかの実施形態によれば、変調された光ビームは、電子ディスプレイ（例えば、３Ｄ電子ディスプレイ）の画素を形成することができる。例えば、変調された３４０光ビームは、３Ｄ電子ディスプレイ（例えば、裸眼の３Ｄ電子ディスプレイ）の複数の視像を提供することができる。
いくつかの例では、複数の光ビームを変調する（３４０）のに用いられる複数のライトバルブは、３Ｄ電子ディスプレイ２００に関して上述したライトバルブアレイ２３０と実質的に同様である。例えば、ライトバルブは、液晶ライトバルブを含んでもよい。別の例では、ライトバルブは、エレクトロウェッティング・ライトバルブ、および電気泳動ライトバルブを含むがこれらに限定されない別のタイプのライトバルブであってもよい。
このように、回折特徴部変調を使用して、長さまたは距離の関数として制御された回折カップリング効率を提供する、回折格子ベースのバックライト、３Ｄ電子ディスプレイ、および電子ディスプレイの動作の方法の例について説明した。上述の例は、本明細書で説明する原理を表す多数の特定の例および実施形態のいくつかを単に例示するものであることが理解されるべきである。明らかに当業者は、添付の特許請求の範囲により定義される範囲から逸脱せずに数多くの他の構成を容易に考案することができる。
１００ 回折格子ベースのバックライト
１０２ 光ビーム
１０４ 導波光ビーム
１１０ ライトガイド
１２０ 回折格子
１２２ 回折特徴部
１２４ サブ波長ギャップ
２００ 電子ディスプレイ
２０２ 光ビーム
２０４ 光ビーム
２１０ 平板ライトガイド
２２０ マルチビーム回折格子
２３０ ライトバルブアレイ
２４０ 光源
様々な実施形態によれば、回折格子１２０はそれぞれ、回折をもたらす複数の回折特徴部１２２を備える。もたらされる回折は、ライトガイド１１０からの導波光ビーム１０４の部分の回折カップリングを担う。例えば、回折格子１２０は、回折特徴部１２２としての役割を果たす、ライトガイド１１０の表面内の複数の溝およびライトガイド表面から突出した複数の隆線の一方または両方を含んでいてもよい。これらの溝および隆線は、互いに平行または実質的に平行に配置してもよく、かつ少なくともある点では、回折格子１２０によりカップリングして外へ出される導波光ビーム１０４の伝播方向と垂直に配置してもよい。
図４Ａ〜４Ｂに（また、例として非限定的に図２Ａ〜２Ｂにも）示すように、マルチビーム回折格子１２０はチャープ回折格子である。具体的には、図示のように、回折特徴部１２２は、マルチビーム回折格子１２０の第１の端部１２０’では、第２の端部１２０’’でよりも互いに近くにある。さらに、図示の回折特徴部１２２の回折間隔ｄは、第１の端部１２０’から第２の端部１２０’’まで線形に変化する。いくつかの例では、チャープ回折格子１２０は、距離と共に線形に変化する回折間隔ｄのチャープを有するかまたは呈することができる。したがって、チャープ回折格子１２０は、「線形チャープ」回折格子と呼ぶことができる。

Claims (20)

  1. 制御された回折カップリング効率を有する回折格子ベースのバックライトであって、
    光を光のビームとしてゼロ以外の伝播角度で導波するように構成されたライトガイドと、
    前記ライトガイドの表面に、前記表面に沿って配置される複数の回折格子であって、前記複数の回折格子のうちの１つの回折格子は、前記表面を通して前記導波光の一部分を回折によりカップリングして外へ出し、これを所定の主極大角度方向で前記ライトガイドの表面から離れるように方向付けられた、カップリングして外へ出された光ビームとするように構成された、複数の回折格子とを備え、
    前記複数の回折格子は、前記ライトガイド表面に沿った距離の関数として、前記回折格子の回折カップリング効率を選択的に制御するように構成された、回折特徴部変調を有する回折特徴部を備える、
    回折格子ベースのバックライト。
  2. 前記回折特徴部変調は、回折特徴部振幅の変調を含む、請求項１に記載の回折格子ベースのバックライト。
  3. 前記回折特徴部変調は、前記回折格子の前記回折特徴部のデューティサイクルの変調を含む、請求項１に記載の回折格子ベースのバックライト。
  4. 前記複数の回折格子は、実質的に等しいサイズの回折格子を含む、請求項１に記載の回折格子ベースのバックライト。
  5. 前記回折特徴部変調は、前記回折特徴部内のサブ波長ギャップを含み、前記サブ波長ギャップは、前記回折特徴部の有効局所回折カップリング強度を変調するように構成される、請求項１に記載の回折格子ベースのバックライト。
  6. 前記回折特徴部変調は、前記ライトガイド表面の長さに沿って実質的に均一である、請求項１に記載の回折格子ベースのバックライト。
  7. 前記回折特徴部変調は、前記導波光ビームの前記回折によってカップリングして外へ出された部分による、前記導波光ビームの強度の指数関数的減少を補償するように構成され、前記補償は、前記ライトガイド表面に沿った距離の関数として、前記複数の回折格子による回折によってカップリングして外へ出された光ビームの実質的に均一な強度を提供するものである、請求項１に記載の回折格子ベースのバックライト。
  8. 前記複数の回折格子は、カップリングして外へ出された複数の光ビームとして、前記導波光ビームの前記一部分をカップリングして外へ出すように構成されたマルチビーム回折格子を含み、前記複数のカップリングして外へ出された光ビームのうち１つの光ビームが、前記複数のカップリングして外へ出された他の光ビームとは異なる主極大角度方向を有する、請求項１に記載の回折格子ベースのバックライト。
  9. 前記マルチビーム回折格子は、曲線状の回折特徴部を有する線形チャープ回折格子である、請求項８に記載の回折格子ベースのバックライト。
  10. 異なる主極大角度方向を有する前記複数のカップリングして外へ出された光ビームは、３次元（３Ｄ）電子ディスプレイの異なる視像に対応する画素を形成するように構成される、請求項８に記載の回折格子ベースのバックライト。
  11. 請求項１に記載の回折格子ベースのバックライトを備える電子ディスプレイであって、前記カップリングして外へ出される光ビームは、前記電子ディスプレイの画素に対応する、電子ディスプレイ。
  12. 前記カップリングして外へ出された光ビームを変調するライトバルブをさらに備え、前記回折格子は、前記ライトバルブに隣接する前記ライトガイドの表面にある、請求項１１に記載の電子ディスプレイ。
  13. ３次元（３Ｄ）電子ディスプレイであって、
    光を導波する平板ライトガイドと、
    アレイに沿った距離の関数として、マルチビーム回折格子の回折カップリング効率を選択的に制御するように構成された、回折特徴部変調を有するマルチビーム回折格子のアレイであって、前記アレイの各マルチビーム回折格子が、前記制御された回折カップリング効率に従って複数の光ビームとして、前記平板ライトガイドによって導波される前記光の一部分をカップリングして外へ出すように構成され、前記光ビームを、対応する複数の異なる主極大角度方向に向けるように構成された、マルチビーム回折格子のアレイと、
    前記異なる主極大角度方向を有する前記光ビームを変調して、前記３Ｄ電子ディスプレイの異なる視像に対応する画素を表すように構成されたライトバルブアレイとを備える、
    ３Ｄ電子ディスプレイ。
  14. 前記回折特徴部変調は、前記マルチビーム回折格子の回折特徴部の振幅の変調、前記マルチビーム回折格子の前記回折特徴部のデューティサイクルの変調、および前記回折特徴部の有効密度の変調のうちの１つまたは複数を含む、請求項１３に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
  15. 前記マルチビーム回折格子の前記アレイのマルチビーム回折格子が、曲線状の回折特徴部を有するチャープ回折格子を備える、請求項１３に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
  16. 前記ライトバルブアレイが、複数の液晶ライトバルブを備える、請求項１３に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
  17. 光源をさらに備え、前記平板ライトガイドによって導波される前記光は、前記光源からの光であって、前記平板ライトガイドの縁部にカップリングされ、前記平板ライトガイド内の実質的にコリメートされた光ビームとしてゼロ以外の伝播角度で導波される、請求項１３に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
  18. 電子ディスプレイの動作の方法であって、
    ライトガイド内で光を導波することと、
    前記ライトガイドの表面における複数の回折格子の回折特徴部を変調することによって、前記回折格子の制御された回折カップリング効率を提供することと、
    前記制御された回折カップリング効率に従って前記複数の回折格子を用いて、前記導波光の一部分を回折によりカップリングして外へ出して、所定の主極大角度方向で前記ライトガイド表面から離れるように方向付けられた複数の光ビームを生成することと、
    を含み、
    前記複数の光ビームは前記電子ディスプレイの画素に対応する、方法。
  19. 前記回折特徴部を変調することは、回折特徴部の振幅を変調すること、回折特徴部のデューティサイクルを変調すること、および回折特徴部の有効密度を変調することのうちの１つまたは複数を含む、請求項１８に記載の電子ディスプレイの動作の方法。
  20. 対応する複数のライトバルブを用いて前記複数の光ビームを変調することをさらに含み、前記回折格子はマルチビーム回折格子であり、前記変調された光ビームは、３次元（３Ｄ）電子ディスプレイの異なる視像の画素を形成する、請求項１９に記載の電子ディスプレイの動作の方法。
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